基于序列圖像的攝像測(cè)量位姿估計(jì)及其船體變形測(cè)量應(yīng)用.pdf

1、現(xiàn)代艦船（航天測(cè)量船和各種作戰(zhàn)艦艇等）作為一個(gè)測(cè)量或者作戰(zhàn)平臺(tái)，裝備有大量如光電跟蹤儀、雷達(dá)以及導(dǎo)彈、火炮等不同類型的測(cè)量設(shè)備和攻防系統(tǒng)，空間坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一是艦船上各種武器裝備在實(shí)現(xiàn)信息共享和協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)的基礎(chǔ)。而艦船變形使得艦載設(shè)備坐標(biāo)系與慣導(dǎo)基準(zhǔn)坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)軸產(chǎn)生角度偏差，嚴(yán)重制約了艦載武器設(shè)備性能的發(fā)揮。隨著艦載測(cè)量儀器以及武器系統(tǒng)對(duì)高精度姿態(tài)角愈加嚴(yán)苛的要求，船體變形監(jiān)測(cè)與校正也面臨著更大的挑戰(zhàn)。船體變形攝像測(cè)量方法克服了現(xiàn)有方法

2、的不足，具有非接觸、高精度、高實(shí)時(shí)性、低成本等重要優(yōu)點(diǎn)，在船體變形測(cè)量應(yīng)用中有著極好的發(fā)展前景。論文在攝像測(cè)量方法已有研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)基于序列圖像的攝像測(cè)量位姿估計(jì)方法的關(guān)鍵技術(shù)開展了研究。
　　為滿足高實(shí)時(shí)性船體變形測(cè)量的需求，改進(jìn)了現(xiàn)有的基于單幀圖像的位姿估計(jì)直接解法。將對(duì)偶四元數(shù)引入到攝像測(cè)量位姿估計(jì)，充分發(fā)揮對(duì)偶四元數(shù)表示剛體運(yùn)動(dòng)的簡潔性和非奇異性，統(tǒng)一表示坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)與平移，代替現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)矩陣、平移向量表示方式

3、，建立單幀圖像位姿估計(jì)直接解法的基本模型。數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)說明該閉環(huán)解法正確可行，計(jì)算效率較高。
　　為了充分利用攝像測(cè)量采集的序列圖像的時(shí)間維度信息，提出了以迭代擴(kuò)展卡爾曼濾波(IEKF)為估計(jì)器的序列圖像相對(duì)位姿估計(jì)解法。使用最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)的理論來處理序列圖像，選取相對(duì)位姿作為狀態(tài)變量，以特征點(diǎn)的二維像點(diǎn)數(shù)據(jù)作為觀測(cè)量，建立狀態(tài)方程以及觀測(cè)方程，利用IEKF估計(jì)船體變形待測(cè)狀態(tài)變量的濾波值。數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)說明了基于IEKF的序列圖像位

4、姿估計(jì)算法正確可行，有較強(qiáng)的魯棒性。
　　為了驗(yàn)證提出的基于序列圖像的位姿估計(jì)方法的有效性和魯棒性，本文首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了船體垂向變形半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明提出方法正確有效，且在變形較小時(shí)有較高的測(cè)量精度。選取攝像測(cè)量方法測(cè)量某大船船體變形的部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以長春光機(jī)所測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)，從縱擾和橫扭兩個(gè)方向的變形測(cè)量比較基于序列圖像的濾波算法和原有的基于單幀圖像的正交迭代位姿解算方法的算法精度、穩(wěn)定性等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明本文方法測(cè)量